Utilizando impresión 3D y silicio poroso, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado acromáticos compactos de longitud de onda visible que son esenciales para la óptica miniaturizada y liviana. Estas microópticas híbridas de alto rendimiento logran altas eficiencias de enfoque, al tiempo que minimizan el volumen y el grosor. Además, estas microlentes se pueden construir en matrices para formar imágenes de área más grande para pantallas y reproductores de imágenes de campo de luz acromáticos.
Este estudio fue dirigido por los profesores de ingeniería y ciencia de materiales Paul Braun y David Cahill, el profesor de ingeniería eléctrica e informática Lynford Goddard y el ex estudiante de posgrado Corey Richards. Los resultados de esta investigación fueron publicados en Nature Communications. .
"Desarrollamos una forma de crear estructuras que exhiben las funcionalidades de la óptica compuesta clásica, pero en una forma delgada y altamente miniaturizada, mediante enfoques de fabricación no tradicionales", dice Braun.
En muchas aplicaciones de imágenes, están presentes múltiples longitudes de onda de luz, por ejemplo, luz blanca. Si se utiliza una sola lente para enfocar esta luz, diferentes longitudes de onda se enfocan en diferentes puntos, lo que da como resultado una imagen de color borroso. Para resolver este problema, se apilan varias lentes para formar una lente acromática. "En las imágenes con luz blanca, si se utiliza una sola lente, se produce una dispersión considerable, por lo que cada color constituyente se enfoca en una posición diferente. Sin embargo, con una lente acromática, todos los colores se enfocan en el mismo punto", dice Braun.
El desafío, sin embargo, es que la pila de elementos de lente necesarios para fabricar una lente acromática es relativamente gruesa, lo que puede hacer que una lente acromática clásica no sea adecuada para plataformas tecnológicas más nuevas y reducidas, como cámaras ultracompactas de longitud de onda visible, microscopios portátiles e incluso dispositivos portátiles.
Para formar una lente mucho más delgada, el equipo combinó una lente refractiva con una lente difractiva plana. Braun explica que la lente inferior es la lente difractiva que enfoca la luz roja, por ejemplo, más cerca, y la lente superior es la lente refractiva que enfoca la luz roja más lejos. Se cancelan entre sí y se enfocan en el mismo lugar.
Para crear el sistema de imágenes acromáticas híbrido compacto, los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación, llamado Índice de refracción controlable del subsuelo mediante exposición al haz (SCRIBE), en el que las estructuras poliméricas se imprimen en 3D en un medio huésped de silicio poroso que soporta mecánicamente los componentes ópticos. En este proceso, se introduce polímero líquido en el silicio poroso y se utiliza un láser ultrarrápido para convertir el polímero líquido en polímero sólido. Con este método, pudieron integrar los elementos difractivos y refractivos de la lente sin necesidad de soportes externos y al mismo tiempo minimizaron el volumen, aumentaron la facilidad de fabricación y proporcionaron un enfoque acromático de alta eficiencia.
"Si imprimes lentes en el aire y quieres apilar dos, necesitarás imprimir la primera lente y luego construir una estructura de soporte a su alrededor", explica Richards. "Entonces necesitarías imprimir la segunda lente dentro de esa estructura de soporte. Pero en el caso del silicio poroso, puedes simplemente suspender las dos lentes una sobre otra. La integración es mucho más fluida en ese sentido".
Con este enfoque, se pueden reconstruir imágenes de áreas más grandes a partir de una serie de microlentes acromáticas híbridas. La matriz puede capturar información del campo de luz, lo cual es un desafío importante para las microlentes de polímero convencionales, que generalmente no son acromáticas, y allanará el camino para aplicaciones como cámaras y pantallas de campo de luz.
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
